Турбулентен поток
Съдържание
Как съвременните технологии променят аеродинамиката на автомобила
Ниското въздушно съпротивление спомага за намаляване на разхода на гориво. В това отношение обаче има огромни възможности за развитие. Засега, разбира се, аеродинамичните експерти са съгласни с мнението на дизайнерите.
"Аеродинамика за тези, които не могат да правят мотоциклети." Тези думи бяха изречени от Енцо Ферари през 60-те години и ясно демонстрират отношението на много дизайнери от онова време към този технологичен аспект на автомобила. Само десет години по-късно настъпва първата петролна криза и цялата им система от ценности се променя коренно. Времената, когато всички сили на съпротивление в движението на автомобила, и особено тези, които възникват в резултат на преминаването му през въздушните слоеве, се преодоляват с обширни технически решения, като например увеличаване на дебита и мощността на двигателите, независимо от количеството консумирано гориво, те изчезват и инженерите започват търсете по-ефективни начини за постигане на целите си.
В момента технологичният фактор на аеродинамиката е покрит с дебел слой прах на забравата, но не е съвсем нов за дизайнерите. Историята на технологиите показва, че дори през двадесетте години напредналите и изобретателни мозъци като германеца Едмънд Румплер и унгареца Пол Ярай (създател на култа Tatra T77) оформят обтекаеми повърхности и поставят основите на аеродинамичен подход към дизайна на каросерията на автомобила. Те бяха последвани от втора вълна аеродинамични специалисти като барон Райнхард фон Кьоних-Факсенфелд и Вунибалд Кам, които развиха своите идеи през 1930-те години.
На всички е ясно, че с увеличаване на скоростта идва граница, над която въздушното съпротивление става критичен фактор при управлението на автомобила. Създаването на аеродинамично оптимизирани форми може да измести тази граница значително нагоре и се изразява чрез така наречения коефициент на потока Cx, тъй като стойност от 1,05 има куб, обърнат перпендикулярно на въздушния поток (ако е завъртян на 45 градуса по оста си, така че ръбът му нагоре по течението е намален до 0,80). Този коефициент обаче е само една част от уравнението на въздушното съпротивление - размерът на предната част на автомобила (A) трябва да се добави като съществен елемент. Първата от задачите на аеродинамиците е да създадат чисти, аеродинамично ефективни повърхности (които фактори, както ще видим, има много в колата), което в крайна сметка води до намаляване на коефициента на потока. За измерване на последното е необходим аеродинамичен тунел, което е скъпо и изключително сложно съоръжение – пример за това е тунелът на BMW за 2009 милиона евро, пуснат в експлоатация през 170 г. Най-важният компонент в него не е гигантски вентилатор, който харчи толкова много ток, че има нужда от отделна трафопост, а точен ролков стенд, който измерва всички сили и моменти, които въздушната струя упражнява върху автомобила. Неговата работа е да оцени цялото взаимодействие на автомобила с въздушния поток и да помогне на специалистите да проучат всеки детайл и да го променят по такъв начин, че не само да го направят ефективен във въздушния поток, но и в съответствие с желанията на дизайнерите . По принцип основните компоненти на съпротивлението, с които се сблъсква автомобилът, идват от когато въздухът пред него се компресира и измества и – нещо изключително важно – от интензивната турбуленция зад него в задната част. Там се образува зона с ниско налягане, която има тенденция да дърпа колата, което от своя страна се смесва със силното влияние на вихъра, което аеродинамиците наричат още "мъртво възбуждане". По логични причини, зад моделите комби, нивото на понижено налягане е по-високо, в резултат на което коефициентът на потока се влошава.
Аеродинамични фактори на съпротивление
Последното зависи не само от фактори като цялостната форма на автомобила, но и от конкретни части и повърхности. На практика общата форма и пропорциите на съвременните автомобили имат 40 процента дял от общото въздушно съпротивление, една четвърт от което се определя от структурата на повърхността на обекта и характеристики като огледала, светлини, регистрационен номер и антена. 10% от съпротивлението на въздуха се дължи на потока през отворите към спирачките, двигателя и скоростната кутия. 20% са резултат от завихряне в различните структури на пода и окачването, тоест всичко, което се случва под колата. И най-интересното е, че до 30% от съпротивлението на въздуха се дължи на вихрите, създадени около колелата и крилата. Практическата демонстрация на този феномен дава ясна индикация за това - коефициентът на потребление от 0,28 за автомобил намалява до 0,18, когато колелата се свалят и дупките в калника се покриват със завършването на формата на автомобила. Не е случайно, че всички автомобили с изненадващо малък пробег, като първата Honda Insight и електрическата кола EV1 на GM, имат скрити задни калници. Цялостната аеродинамична форма и затворената предна част, поради факта, че електрическият мотор не се нуждае от много охлаждащ въздух, позволиха на разработчиците на GM да разработят модела EV1 с коефициент на поток от само 0,195. Tesla модел 3 има Cx 0,21. За намаляване на завихрянето около колелата при превозни средства с двигатели с вътрешно горене, т.нар. От отвора на предната броня се насочват "въздушни завеси" под формата на тънка вертикална струя въздух, която обдухва колелата и стабилизира завихрянията. Потокът към двигателя е ограничен от аеродинамични щори, а дъното е напълно затворено.
Колкото по-ниски са силите, измерени от ролковата стойка, толкова по-ниска е Cx. Според стандарта тя се измерва при скорост от 140 км/ч - стойност от 0,30 например означава, че 30 процента от въздуха, през който преминава автомобилът, се ускорява до неговата скорост. Що се отнася до предната зона, нейното отчитане изисква много по-проста процедура - за това с помощта на лазер се очертават външните контури на автомобила, гледан отпред, и се изчислява затворената площ в квадратни метри. Впоследствие това се умножава по коефициента на потока, за да се получи общото въздушно съпротивление на превозното средство в квадратни метри.
Връщайки се към историческите очертания на нашето аеродинамично описание, откриваме, че създаването на стандартизирания цикъл за измерване на разхода на гориво (NEFZ) през 1996 г. всъщност изигра отрицателна роля в аеродинамичната еволюция на автомобилите (която напредна значително през 1980-те години). ), тъй като аеродинамичният фактор има малък ефект поради краткия период на движение с висока скорост. Въпреки че коефициентът на потока намалява с времето, увеличаването на размера на превозните средства във всеки клас води до увеличаване на челната площ и следователно до увеличаване на въздушното съпротивление. Автомобили като VW Golf, Opel Astra и BMW Серия 7 имаха по-високо въздушно съпротивление от своите предшественици през 1990-те години. Тази тенденция се подхранва от кохорта от впечатляващи SUV модели с тяхната голяма предна площ и влошаващ се трафик. Този тип автомобили са критикувани най-вече заради огромното си тегло, но на практика този фактор придобива все по-ниска относителна важност с увеличаване на скоростта - докато при шофиране извън града със скорост около 90 км/ч делът на въздушното съпротивление е около 50 процента, при скорости на магистрала, той се увеличава до 80 процента от общото съпротивление, което превозното средство среща.
Аеродинамична тръба
Друг пример за ролята на въздушното съпротивление при работата на автомобила е типичният модел Smart city. Двуместният автомобил може да бъде пъргав и пъргав по градските улици, но късото и пропорционално тяло е изключително неефективно от аеродинамична гледна точка. На фона на лекото тегло, въздушното съпротивление се превръща във все по-важен елемент и със Smart започва да оказва силно въздействие при скорости от 50 км / ч. Нищо чудно, че не успя да очаква ниска цена въпреки лекия си дизайн.
Въпреки недостатъците на Smart обаче, подходът на компанията майка Mercedes към аеродинамиката е пример за методичен, последователен и проактивен подход към процеса на създаване на ефективни форми. Може да се твърди, че резултатите от инвестициите в аеродинамични тунели и усилената работа в тази област са особено видими в тази компания. Особено ярък пример за ефекта от този процес е фактът, че сегашната S-класа (Cx 0,24) има по-малко съпротивление при вятър от Golf VII (0,28). В процеса на намиране на повече вътрешно пространство, формата на компактния модел е придобила доста голяма фронтална площ, а коефициентът на поток е по-лош от този на S-класата поради по-късата дължина, която не позволява дълги обтекаеми повърхности и главно поради рязък преход към задната част, насърчавайки образуването на вихри. VW бяха категорични, че новото осмо поколение Golf ще има значително по-малко въздушно съпротивление и по-ниска и по-опростена форма, но въпреки новия дизайн и възможностите за тестване, това се оказа изключително предизвикателство за автомобила. с този формат. Въпреки това, с коефициент 0,275, това е най-аеродинамичният Golf, правен някога. Най-ниският регистриран коефициент на разход на гориво от 0,22 на автомобил с двигател с вътрешно горене е този на Mercedes CLA 180 BlueEfficiency.
Предимството на електрическите превозни средства
Друг пример за значението на аеродинамичната форма спрямо теглото са съвременните хибридни модели и още повече електрически превозни средства. В случая на Prius, например, необходимостта от силно аеродинамична форма се продиктува и от факта, че с увеличаване на скоростта ефективността на хибридния силов агрегат намалява. При електрическите превозни средства всичко, свързано с увеличен пробег в електрически режим, е изключително важно. Според експерти загуба на тегло от 100 кг ще увеличи пробега на автомобила само с няколко километра, но от друга страна, аеродинамиката е от първостепенно значение за електрически автомобил. Първо, защото голямата маса на тези превозни средства им позволява да възстановят част от енергията, консумирана от рекуперацията, и второ, защото големият въртящ момент на електродвигателя му позволява да компенсира ефекта от теглото по време на стартиране, а ефективността му намалява при високи скорости и високи скорости. В допълнение, силовата електроника и електродвигателят изискват по-малко охлаждащ въздух, което позволява по-малък отвор в предната част на автомобила, което, както отбелязахме, е основната причина за намаления поток на тялото. Друг елемент от мотивирането на дизайнерите да създават по-аеродинамично ефективни форми в съвременните хибридни модели с добавки е режимът на задвижване без електрическо ускорение или т.нар. плаване. За разлика от платноходките, където се използва терминът и вятърът трябва да движи лодката, при автомобилите пробегът с електрическо задвижване би се увеличил, ако колата има по-малко въздушно съпротивление. Създаването на аеродинамично оптимизирана форма е най-ефективният начин за намаляване на разхода на гориво.
Коефициентите на потребление на някои известни автомобили:
Мерцедес Симплекс
Производство 1904, Cx = 1,05
Вагон за сваляне Rumpler
Производство 1921, Cx = 0,28
Форд Модел Т.
Производство 1927, Cx = 0,70
Експериментален модел Кама
Произведено през 1938 г., Cx = 0,36.
Рекорден автомобил Mercedes
Производство 1938, Cx = 0,12
VW Bus
Производство 1950, Cx = 0,44
Фолксваген "Костенурка"
Производство 1951, Cx = 0,40
Панхард Дина
Произведено през 1954 г., Cx = 0,26.
Porsche 356 A
Произведено през 1957 г., Cx = 0,36.
MG EX 181
1957 производство, Cx = 0,15
Citroen DS 19
Производство 1963, Cx = 0,33
Спортен принц на NSU
Производство 1966, Cx = 0,38
Mercedes S 111
Производство 1970, Cx = 0,29
Volvo 245 комби
Производство 1975, Cx = 0,47
Ауди 100
Производство 1983, Cx = 0,31
Мерцедес W 124
Производство 1985, Cx = 0,29
Lamborghini countach
Производство 1990, Cx = 0,40
Toyota Prius 1
Производство 1997, Cx = 0,29
